降雨影響下飛行區(qū)道面地下水位智能監(jiān)測及變化規(guī)律分析

顧時俊 張鈺彬

為了適應(yīng)日益復(fù)雜的交通航班架次，提高道面維護(hù)和管理效率與效果，機(jī)場道面管理需由傳統(tǒng)的“被動防治”逐漸向基于數(shù)據(jù)分析進(jìn)行“主動防治”的管理模式轉(zhuǎn)型。虹橋機(jī)場地下水位較高，地下水位隨降雨反復(fù)上升和下降一方面對道基發(fā)生干濕循環(huán)作用，可能弱化地基承載能力，另一方面可能滲入基層底部，引發(fā)道面結(jié)構(gòu)性病害。本文依托虹橋機(jī)場東跑道側(cè)面的地下水位自動監(jiān)測設(shè)備，對跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合雨量計數(shù)據(jù)驗(yàn)證地下水位計的有效性，在此基礎(chǔ)上分析跑道地下水位的變化規(guī)律，為機(jī)場跑道病害誘因分析和病害維護(hù)提供分析依據(jù)。相比于傳統(tǒng)地下水位的人工觀測，虹橋機(jī)場地下水位自動監(jiān)測設(shè)備實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行機(jī)場飛行區(qū)地下水位的實(shí)時監(jiān)測，并利用開發(fā)的系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)警、維護(hù)分析，也為其他建筑工程的地下水位監(jiān)測方法提供參考。

上海虹橋國際機(jī)場位于中國上海市長寧區(qū)，為4E級民用國際機(jī)場。目前虹橋機(jī)場擁有跑道兩條，是我國最為繁忙的大型民用機(jī)場之一。目前虹橋機(jī)場部分道面使用年限已較長，進(jìn)入了設(shè)計壽命中期或后期。隨著近年旅客吞吐量的穩(wěn)定增長，飛行區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)設(shè)施受環(huán)境和荷載的影響性能也在不斷衰減。道面是飛行區(qū)內(nèi)最為重要的結(jié)構(gòu)設(shè)施，保證其始終處于正常、安全的使用狀態(tài)，對于飛行區(qū)安全至關(guān)重要。雖然針對道面病害經(jīng)過一系列的修補(bǔ)、加鋪、改造等方式，將風(fēng)險始終控制在可控的狀態(tài)。但是，由于受其設(shè)計壽命的限制，維護(hù)成本及病害復(fù)發(fā)的風(fēng)險都有明顯上升的趨勢，總體仍屬于被動維護(hù)的工作模式。

飛行區(qū)道面性能受地基沉降變形、地基地下水位等因素的變化而發(fā)生改變。基于對飛行區(qū)道面存在的安全風(fēng)險所產(chǎn)生的充分認(rèn)識，有必要對地下水位檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行深入研究，分析安全風(fēng)險的形成機(jī)理和發(fā)展規(guī)律，建立安全風(fēng)險影響因素預(yù)警模型，并提出面向四型機(jī)場建設(shè)的安全管控措施與對策。對于虹橋機(jī)場飛行區(qū)長治久安、機(jī)場未來的快速發(fā)展以及運(yùn)行機(jī)場四型機(jī)場建設(shè)具有重要意義，同時為其他建筑工程的地下水位監(jiān)測方法提供案例和參考。

一、道面性能影響因素感知分析

地基發(fā)生不均勻沉降，不僅影響道面整體不均勻沉降和道面平整度，也會導(dǎo)致道面不協(xié)調(diào)變形而出現(xiàn)的斷板現(xiàn)象，因此道面沉降是影響道面結(jié)構(gòu)性能和安全的重要因素之一。地基的地下水位出現(xiàn)波動，一方面改變了地基濕度狀況，濕度依賴性極強(qiáng)的地基回彈模量發(fā)生衰減，影響地基承載能力，另一方面地下水通過滲流和毛細(xì)水等作用侵入道面結(jié)構(gòu)層，誘發(fā)層間結(jié)合和結(jié)構(gòu)層弱化問題。因此沉降變形和地下水位等因素能間接影響道面結(jié)構(gòu)性能，進(jìn)而成為道面安全風(fēng)險問題的間接誘因，也需要管理部門引起足夠的重視。

1.地下水位感知技術(shù)分析

沉降變形的感知手段包括傳統(tǒng)水準(zhǔn)和GPS高程測量、單點(diǎn)沉降計監(jiān)測、全域InSAR監(jiān)測等技術(shù)。其中單點(diǎn)沉降計采用鉆孔埋入光纖光柵類點(diǎn)式沉降計獲取重點(diǎn)斷面的絕對沉降和差異沉降，全域InSAR監(jiān)測利用合成孔徑雷達(dá)干涉測量（InSAR）技術(shù)，并發(fā)展長時序監(jiān)測機(jī)場跑道沉降的模型算法，克服機(jī)場跑道雷達(dá)反射信號弱的問題，大幅提高觀測點(diǎn)密度，快速識別飛行區(qū)全域道面的沉降速率、差異沉降等指標(biāo)，可以彌補(bǔ)傳統(tǒng)水準(zhǔn)和GPS測量手段的不足，廣泛用于地表形變監(jiān)測領(lǐng)域，具有較低成本、觀測范圍大、監(jiān)測時間短等優(yōu)點(diǎn)。

地基地下水位感知一般采用人工地下水位觀測，或光纖類或無線振弦類高精度地下水位計實(shí)時監(jiān)測，掌握監(jiān)測飛行區(qū)地基地下水位隨天氣的變化情況。

2.地下水位智能監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

虹橋機(jī)場D滑存在唧泥脫空病害，故在虹橋機(jī)場D滑附近布設(shè)人工地下水位觀測點(diǎn)和排水溝流量監(jiān)測裝置。采用地下水位管對地下水位進(jìn)行監(jiān)測，前期監(jiān)測頻率設(shè)置為2～3天/次，雨天時增加測量頻次。在盲管溝的檢查井和排水管設(shè)置超聲波流量計，采集管中水位、流量、流速等數(shù)據(jù)，實(shí)施無線傳輸記錄現(xiàn)場排水狀況，不間斷地掌握地下水位實(shí)時變化的情況。同時，設(shè)置機(jī)械式流量計開展流量監(jiān)測，并在監(jiān)測位置設(shè)置太陽能無線攝像頭實(shí)時觀測排水狀況。

同時，在東跑道側(cè)面土面區(qū)安裝4個無線地下水位計，并擬在2023年于西跑道側(cè)面土面區(qū)安裝4個地下水位計，多區(qū)域監(jiān)測虹橋機(jī)場飛行區(qū)地下水位變化情況。地下水位自動監(jiān)測裝置主要由地下埋設(shè)裝置、地面數(shù)據(jù)傳輸裝置和數(shù)據(jù)存儲、分析、預(yù)警平臺三大部分組成（圖1）。

圖1 自動監(jiān)測裝置組成示意圖

地下水位數(shù)據(jù)通過地下埋設(shè)裝置中的地下水位計采集，然后數(shù)據(jù)通過傳感器引線傳輸至地面無線采集箱，多個采集箱數(shù)據(jù)匯總后發(fā)送到云服務(wù)器進(jìn)行存儲。同時，地下水位自動監(jiān)測數(shù)據(jù)可接入飛行區(qū)其他系統(tǒng)（如虹橋機(jī)場道面管理系統(tǒng)、虹橋機(jī)場跑道表面狀況監(jiān)測系統(tǒng)），具備數(shù)據(jù)實(shí)時展示、埋入式傳感器三維可視化、自動生成報告、實(shí)時預(yù)警等功能。

二、飛行區(qū)道面地下水位變化規(guī)律分析

依托虹橋機(jī)場東跑道側(cè)面的地下水位自動監(jiān)測設(shè)備，對東跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并結(jié)合雨量計數(shù)據(jù)驗(yàn)證地下水位計的有效性，并在此基礎(chǔ)上分析虹橋機(jī)場東跑道地下水位的變化規(guī)律。

2022年11月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布如圖2所示。由圖可知，地下水位變化趨勢與降雨強(qiáng)度一致，且存在一定的滯后性，這是因?yàn)榻涤耆霛B引發(fā)地下水位上升需要一定時間。因此，本次安裝的地下水位計是有效的。

圖2 2022年11月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布

跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異；總的來說，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞ H4 ＞跑道北端。另外，11日短時強(qiáng)降雨過程中，H4處的地下水位在10:54時發(fā)生劇烈變化，這可能是由于排水不暢造成監(jiān)測水位突變，隨后緩慢消散至正常水平。統(tǒng)計可得11月跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.284，-1.203）m、（-0.188，-1.845）m、（-1.127，-1.847）m、（-0.664，-1.906）m。

2022年12月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布如圖3所示。由圖可知，地下水位變化趨勢與降雨強(qiáng)度一致。因此，本項(xiàng)目安裝的地下水位計是有效的。

圖3 2022年12月地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布

跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異；總的來說，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞ H4 ≈跑道北端。

統(tǒng)計可得12月跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4 處地下水位的最高和最低值分別為（-0.225，-0.885）m、（-0.276，-1.192）m、（-0.97，-1.547）m、（-0.792，-1.574）m。

同理，針對2023年1月-2023年3月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)合地下水位計與雨量計數(shù)據(jù)分布圖，總結(jié)得出：

（1）2022年11月-2023年3月虹橋機(jī)場東跑道的地下水位計數(shù)據(jù)隨著雨量計數(shù)據(jù)而變化，充分表明本項(xiàng)目安裝的地下水位計是有效的。

（2）跑道南端、聯(lián)絡(luò)道B1、跑道北端和H4的地下水位變化趨勢一致，但數(shù)值存在一定差異。總的來說，跑道南端＞聯(lián)絡(luò)道B1＞跑道北端＞ H4 。

（3） 2022年11月-2023年3月虹橋機(jī)場東跑道的地下水位最高值和最低值分別為-0.17 m和-1.906m。

三、結(jié)論與建議

本文依托地下水位自動監(jiān)測設(shè)備，對虹橋機(jī)場跑道側(cè)面土面區(qū)地下水位計數(shù)據(jù)進(jìn)行有效收集，通過監(jiān)測平臺實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)，并結(jié)合雨量計數(shù)據(jù)驗(yàn)證了地下水位計的有效性。在此基礎(chǔ)上分析跑道地下水位的變化規(guī)律及趨勢，可以為機(jī)場土建工程、給排水工程，以及跑道病害誘因分析和病害維護(hù)提供依據(jù)，為機(jī)場道面管理由傳統(tǒng)“被動防治”向“主動防治”管理模式的轉(zhuǎn)型提供助力，也為其他建筑工程的施工、運(yùn)維和養(yǎng)護(hù)過程提供參考方案。

建議加強(qiáng)智能監(jiān)測系統(tǒng)平臺的使用和跟蹤維護(hù)，充分利用和積累長時監(jiān)測數(shù)據(jù)，優(yōu)化模型算法，可加強(qiáng)管理決策的實(shí)時性和合理性，也可提前發(fā)現(xiàn)濕滑跑道、冰雪跑道等適航條件較差或不適航的跑道狀態(tài)。